无线HART在NS-2模拟器中的实现及其正确性验证外文翻译资料

Sensors 2014, 14, 8633-8668; doi:10.3390/s140508633

OPEN ACCESS

sensors

ISSN 1424-8220

www.mdpi.com/journal/sensors

Article

Implementation of WirelessHART in the NS-2 Simulator and Validation of Its Correctness

Pouria Zand 1,*, Emi Mathews 1, Paul Havinga 1, Spase Stojanovski 2, Emiliano Sisinni 3 and Paolo Ferrari 3

1 Pervasive Systems Group, Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science, University of Twente, P.O. Box 217, Enschede 7500AE, The Netherlands;

E-Mails: e.mathews@utwente.nl (E.M.); p.j.m.havinga@utwente.nl (P.H.)

2 Deloitte Management Consulting, Laan van Kronenburg 2, Amstelveen 1183AS, The Netherlands; E-Mail: sstojanovski@deloitte.nl

3 Department of Electronics for the Automation, University of Brescia, Via Branze 38, 25123 Brescia,

Italy; E-Mails: emiliano.sisinni@ing.unibs.it (E.S.); paolo.ferrari@ing.unibs.it (P.F.)

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: p.zand@utwente.nl; Tel.: 31-53-489-3575.

Received: 18 March 2014; in revised form: 30 April 2014 / Accepted: 30 April 2014 /

Published: 16 May 2014

Abstract: One of the first standards in the wireless sensor networks domain, WirelessHART (HART (Highway Addressable Remote Transducer)), was introduced to address industrial process automation and control requirements. This standard can be used as a reference point to evaluate other wireless protocols in the domain of industrial monitoring and control. This makes it worthwhile to set up a reliable WirelessHART simulator in order to achieve that reference point in a relatively easy manner. Moreover, it offers an alternative to expensive testbeds for testing and evaluating the performance of WirelessHART. This paper explains our implementation of WirelessHART in the NS-2 network simulator. According to our knowledge, this is the first implementation that supports the WirelessHART network manager, as well as the whole stack (all OSI (Open Systems Interconnection model) layers) of the WirelessHART standard. It also explains our effort to validate the correctness of our implementation, namely through the validation of the implementation of the WirelessHART stack protocol and of the network manager. We use sniffed traffic from a real WirelessHART testbed installed in the Idrolab plant for these validations. This confirms the validity of our simulator. Empirical analysis shows that the simulated results are nearly comparable to the results obtained from real networks. We also demonstrate the versatility and usability

of our implementation by providing some further evaluation results in diverse scenarios. For example, we evaluate the performance of the WirelessHART network by applying incremental interference in a multi-hop network.

Keywords: WirelessHART (Highway Addressable Remote Transducer); NS-2 (network simulator 2); realistic simulation; validation; IEEE 802.15.4e

Introduction

Despite the advancement of the realm of wireless sensor networks, their adoption by the industry for factory automation and process control applications remained limited. This all changed, when in 2007, the HART (Highway Addressable Remote Transducer) Communication Foundation [1] developed WirelessHART, the first open, international standard to fulfill industrial requirements. Using a self-organizing and self-healing mesh network architecture, it establishes a secure and reliable wireless communication protocol. It is backward compatible with the widely-used wired HART (Highway Addressable Remote Transducer) protocol: the global standard for sending and receiving digital information over analogue wires between monitoring and control systems. The WirelessHART standard has gained the confidence of the industry, and it has been increasingly adopted over the last few years [2]. The International Society of Automation (ISA) considers six classes of applications, from critical control to monitoring, in which the importance of the message timeliness and quality of service (QoS) requirements decreases from Class 0 to 5 in Table 1 [3]. WirelessHART supports industrial applications

ranging from Class 2 to 5 [3].

Table 1. Different classes of applications, as defined by the International Society of Automation (ISA).

Category Class Application Description

Safety 0 Emergency action Always critical

1 Closed-loop regulatory control Often critical

Control

Monitoring

• 1. Closed-loop supervisory control Usually noncritical
  2. Open-loop control Human in loop
  3. Alerting Short-term operational consequence
  4. Logging and downloading/uploading No immediate operational consequence

Being the first open standard, WirelessHART can be used as a reference point to evaluate other wireless protocols in the industrial domain. This can be conveniently achieved by implementing the WirelessHART protocol in a network simulator. In addition, such implementations serve as a basis for further extensions and improvements of the protocol itself. Furthermore, to test and analyze the protocol easily, simulation provides

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传感器2014，148633-8668；doi:10.3390/s140508633

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传感器

ISSN 1424—8220

www.mdpi.com/journal/sensors

文章

无线HART在NS-2模拟器中的实现及其正确性验证

Pouria Zand 1*、Emi Mathews 1、Paul Havinga 1、Spase Stojanovski 2、Emiliano Sisinni 3和Paolo Ferrari 3,

1 荷兰特温特大学电气工程、数学和计算机科学学院普适系统组，邮政信箱217，Enschede 7500AE,荷兰；

电子邮件：e.mathews@utwente.nl（E.M.）；p.j.m.havinga@utwente.nl（P.H.）

2 德勤管理咨询，Laan van Kronenburg 2，Amstelveen 1183AS，荷兰；

电子邮件：sstojanovski@deloitte.nl

3 布雷西亚大学自动化电子系，Via Branze 38，25123 布雷西亚，

意大利；电子邮件：emiliano.sisinni@ing.unibs.it（E.S.）；paolo.farrari@ing.unibs.it（P.F.）

*通信地址的作者；电子邮件：p.zand@utwente.nl；电话： 31-53-489-3575。

收到日期：2014年3月18日；修订格式：2014年4月30日/接受日期：2014年4月30日/

出版日期：2014年5月16日

文摘：无线传感器网络领域的第一个标准之一，无线HART（(HART)可寻址远程传感器高速通道）被引入工业过程自动化和控制要求。本标准可作为工业监控领域其他无线协议评估的参考点。这使得建立一个可靠的无线HART模拟器是值得的，以便以相对容易的方式实现该参考点。此外，它还为测试和评估无线HART的性能提供了一种昂贵的试验台替代方案。本文介绍了无线HART在NS-2网络模拟器中的实现。据我们所知，这是第一个支持无线HART的 网络管理器以及无线HART标准的整个堆栈（所有OSI（开放系统互连模型）层）的实现。它还解释了我们验证实现正确性的努力，即通过验证无线HART堆栈协议和网络管理器的实现。我们使用安装在工厂的真实无线HART测试台的嗅探流量进行验证。这证实了模拟器的有效性。实证分析表明，模拟结果与实际网络的结果基本相当。我们还展示了多功能性和可用性。

通过在不同的场景中提供一些进一步的评估结果来实现。例如，我们通过在多跳网络中应用增量干扰来评估无线HART网络的性能。

关键词：无线HART（可寻址远程传感器高速通道）；NS-2（网络模拟器2）；真实模拟；验证；IEEE 802.15.4e

1. 介绍

尽管无线传感器网络领域取得了进步，但其在工厂自动化和过程控制应用中的应用仍然有限。这一切都改变了，在2007，HART（可寻址远程传感器高速通道）通信基金会〔1〕开发了无线HART，这是第一个开放的、符合工业要求的国际标准。采用自组织自愈的网状网络结构，建立了一种安全可靠的无线通信协议。它向后兼容广泛使用的有线HART（可寻址远程传感器高速通道）协议：监控系统和控制系统之间通过模拟线路发送和接收数字信息的全球标准。无线HART标准获得了业界的信任，在过去几年中得到了越来越多的采用[2]。国际自动化学会（ISA）考虑了六类应用，从关键控制到监控，其中消息及时性和服务质量（QoS）要求

重要性从表1[3]中的0级降至5级。无线HART支持工业应用范围从2级到5级[3]。

表1国际自动化学会（ISA）定义的不同类型的应用

类别 类 应用 描述

安全 0 紧急行动 始终至关重要

1 闭环调节控制 通常很关键

2 闭环监控 通常是非临界的

控制 3 开环控制 人在回路中

监视 4 提醒 短期运行后果

5 记录和下载/上传 没有立即的操作后果

作为第一个开放标准，无线HART可作为工业领域其他无线协议评估的参考点。这可以通过在网络模拟器中实现无线HART协议来方便地实现。此外，这些实现是进一步扩展和改进协议本身的基础。此外，为了方便地测试和分析协议，仿真提供了一个很好的替代方案，以取代在实际工业中需要设置的昂贵的测试台环境。这些因素促使我们致力于实现无线HART模拟器协议。为此，我们选择了最流行的网络模拟器之一NS-2[4]来实现。

虽然无线HART已经在其他模拟器[5]中部分实现，但就我们所知，这是第一个完整的无线HART模拟器。这意味着在我们的模拟器中，我们实现了现场设备和接入点的整个无线HART堆栈（所有OSI（开放系统互连模型）层）以及集中网络管理的算法。在[6]中讨论了模拟器的初步版本。在本文中，我们提出了无线HART模拟器的实现，它增加了一个安全层，以提供安全可靠的通信。此外，我们还通过使用真实无线HART网络中的嗅探/捕获流量来验证模拟器。

本文的其余部分组织如下：第2节提供了有关无线HART中使用的概念的背景信息，并总结了相关工作。第3节介绍了无线HART体系结构，第4节提供了无线HART设备堆栈和无线HART中央网络管理算法的实施细节。第5节讨论了验证模拟器的方法。第6节给出了真实和模拟网络的实验分析，说明了网络管理算法的异同。第7节描述了多跳模拟场景中演示模拟器可用性的其他实验。第8节描述了如何使用仿真工具，最后，第9节总结了本文。

2. 背景及相关工作

在任何工业网络中，主要关注的是提供实时和可靠的通信。资源预留是一种方便实时通信的技术。跳频和多径路由是两种合适的方案，可以通过减少深度衰落和外部干扰来提供可靠的通信。这些方案最初在时间同步网格协议（TSMP）[7]中提出，后来在无线HART标准中采用。在本节中，我们提供了一些有关TSMP的背景信息，并总结了无线HART模拟的相关工作。

2.1. 时间同步网格协议（TSMP）

TSMP是第一个设计用于低功耗/低带宽可靠通信的介质访问和网络协议，它利用了上述所有技术。TSMP概念被用于几种现有的工业无线技术，如无线HART[1]、ISA100.11A[8]和IEEE 802.15.4e（时隙信道跳跃（TSCH）模式）[9]。IEEE 802.15.4e TSCH模式是802.15.4-2006标准[10]的MAC（媒体访问控制）修正案，以支持工业应用。TSCH基于一种时隙机制，在这种机制中，时间表规定了节点应该向特定邻居发送/接收数据的时隙和信道。

TSMP将无线信道分为时间和频率。时间被划分为超帧，它由一组离散的时隙组成。图1说明了具有10个插槽的超级帧的示例网络的TSMP矩阵。TSMP超级帧中的单个元素称为单元。链接是在一个单元内发生的一种事务。链路信息包括一个超级帧ID（标识）、源和目标ID、一个指向超级帧开始的插槽号和一个通道偏移量。链路两端的两个节点在每个超级帧中定期通信一次。如果只调度了一个发送器，那么该单元是无争用的。如果计划多个发送器同时发送到共享单元中的同一设备，则可以使用随机退避算法。在不同的单元格中，可以将多个链接从一个节点分配到另一个节点。例如，从节点A到节点C的两个Tx链接如图1所示。TSMP链接在一组预先定义的通道上随机跳伪。通信所用的无线信道是通过考虑时隙号（ASN）、信道偏移量和信道跳变序列来确定的，其公式如下：

图1采样网络的时隙信道跳频（TSCH）时隙信道矩阵

每个链路在每个周期时隙中都有不同的信道号

图2描述了TSMP时隙内的特定时间要求。两个节点之间的时隙中的定时通信依赖于网络上的精确时间同步。网络设备应该具有相同的概念，即每个时间段的开始和结束时间。与使用基于信标的同步方案的IEEE802.15.4不同，TSMP依靠交换接收和发送数据包的定时偏移信息来提供同步。时间同步机制如[1]所述。

TSMP使用基于图形路由的方案。图形是一种路由结构，用于在设备之间建立定向的端到端连接。每个目的地都有自己的图，并且多个源可以共享同一个图。网络中的每个图都用唯一的图ID标识。图3说明了图路由。在这个图中，节点0使用IDs1和IDs2的图与节点43和45通信。当源节点希望将数据包发送到目的地时，数据包头中将包含图形ID，以启用到目的地的路由。在路径中的任何节点上，可以在网格图中指定多个下一跳；路径分集直接内置于[7]。例如，在图3中，中间节点5可以将标识为图ID 1的数据包转发到节点12或节点13，并且可以将标识为图ID 2的数据包转发到节点13或节点14。

图2专用时间同步网格协议（TSMP）时隙的定时[1]

图3图形路由示例

2.2. 相关工作

现有的无线HART实现是部分的。诺布雷等。[5]为NS-3（网络模拟器3）模拟器开发了一个无线HART模块。这项工作的重点是实现无线HART的物理层，将其用作开发其他层（如Mac和应用层）的基础。在[11]中，作者报告了OMNET [12]中无线HART物理层和MAC层的开发情况。该工具分析了干扰对无线HART网络的影响。但是，他们没有实现完整的无线HART堆栈和网络管理算法。在[13]中，作者实现了一个基于TrueTime的无线Hart模拟器，这是一个基于Matlab/Simulink的开放源码网络仿真工具，用于研究过程控制中的时钟漂移。然而，在这项研究中，无线HART管理算法和整个堆栈也没有实现。沙阿等[14]基于其先前关于TrueTime[13]的工作，它们从通信的物理层抽象出来，向应用程序层和控制循环移动。然而，它们不包括多跳和多通道通信。[15]中的作者提出使用基于TrueTime交互的联合仿真框架，以及基于OMNET 的跨层无线网络模拟器，以改进整体共存

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